JP2000088577A - 静電容量検出型振動ジャイロの検出回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度変動の影響を受け難くする。 【解決手段】 振動体に形成され、駆動信号により往復
変位される可動電極と固定電極により静電容量Ｃａ，Ｃ
ｂが構成され、これらに抵抗素子５ａ，５ｂが接続され
て積分器６ａ，６ｂとされ、積分器６ａ，６ｂに矩形波
キャリア値が入力され、積分器６ａ，６ｂの出力の排他
的論理和が回路８でとられ、差動出力を得、駆動信号源
１１よりの駆動信号が位相調整されて、回路８の出力と
共に排他的論理和回路９へ供給されて検波され、その出
力が積分されてジャイロ出力とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は振動体を振動させ
て複数の可動電極と固定電極との静電容量の変化から角
速度を検出する静電容量検出型振動ジャイロにおける検
出回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６Ａに従来の静電容量検出型振動ジャ
イロのセンサ部を、Ｂに検出回路部を示し、その動作信
号波形を図７に示す。台座１と微小な間隙をもって、平
板型振動体２が肉薄ヒンジで対向して設けられ、これら
の一方に線対称に配置された二つの検出用（可動）電極
３ａ，３ｂが他方に接地用電極４がそれぞれ対向して設
けられて、検出用容量Ｃａ，Ｃｂが構成されている。こ
の時前記接地用電極４が固定電極、前記検出用電極３
ａ，３ｂが可動電極となる為、前記検出用容量Ｃａ，Ｃ
ｂは可変容量として作用する。

【０００３】前記振動体２は静電気力または電磁気力な
どの駆動力により図のＺ方向、つまり固定電極４と垂直
な方向に並進している。ここで、前記振動体２に、その
並進方向と垂直な軸まわりの角速度ωが入力されると、
この軸及びＺ方向の両者に直角なＸ方向に、コリオリ力
が振動体に作用する。これにより前記振動体２は前記Ｚ
方向の並進による容量の変化と、前記コリオリ力による
容量変化との合成容量変化を持つ。前記合成容量変化か
ら前記コリオリ力による容量の変化量を検出する事によ
り、ジャイロ出力が得られる。

【０００４】図６Ｂに示すように前記検出用容量Ｃａ，
Ｃｂに対しそれぞれ抵抗素子５ａ，５ｂが接続されて積
分器６ａ，６ｂが構成される。前記振動体２を駆動させ
た状態で、前記積分器６ａ，６ｂに、キャリア信号発生
源７から前記振動子の駆動信号（図７波形ア）の周波数
よりも十分高い周波数の矩形波のキャリア信号（図７波
形イ）がそれぞれ印加される振動体２は方形波の駆動信
号（図７波形ア）により駆動されるが、図７波形アａに
示すように正弦波状に振動する。この振動による電極間
容量Ｃａ，Ｃｂの変化から積分器６ａ，６ｂの時定数が
独立して変化し、これら積分器６ａ，６ｂからの積分出
力（図７波形クａ、クｂ）がそれぞれ出力される。

【０００５】積分器６ａ，６ｂの出力は正弦波変換回路
（時定数の大きな積分回路）１３ａ，１３ｂにて、駆動
周期での時定数の正弦波状変化による積分出力の変化が
正弦波信号（図７波形ケａ破線、ケｂ破線）に変換さ
れ、これら二つの正弦波信号が差動増幅回路１４に入力
され、駆動周波数の正弦波形（図７波形コ破線）が得ら
れる。

【０００６】ここで前記振動体２にコリオリ力が作用す
ると、駆動信号に基づく定常振動による振動体２の変位
と、コリオリ力による振動体２の変位との合成により、
二つの位相の異なる振動体の変位連動が発生する。これ
により正弦波変換回路１３ａ，１３ｂの出力は振幅と位
相の異なった二つの正弦波形（図７波形ケａ実線、ケｂ
実線）となり、差動増幅回路１４もまた定常振動の時と
は振幅及び位相の異なった正弦波形（図７波形コ実線）
を出力する。

【０００７】差動増幅回路１４の出力が同期検波回路１
５に入力され、駆動信号源１１の駆動信号が位相調整回
路１２により調整され、これが検波参照用矩形波（図７
波形サ）として同期検波回路１５に入力されて、同期検
波出力（図７波形シ実線）が得られる。この検波出力が
積分回路１０によって平滑化及び増幅され、角速度が未
入力状態の出力（図７波形ス破線）と、角速度が入力さ
れた状態の出力（図７波形ス実線）との差をジャイロ出
力として得る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の静電容量検出型振動ジャイロの検出回路は複数の検
出用電極でそれぞれ積分器を構成し、これにキャリア信
号を入力し、その積分出力を正弦波に変換して差動増幅
し、同期検波回路にて角速度を検出するという構成であ
った。

【０００９】このことから、周囲温度の変化などによっ
て、変換した正弦波の振幅が変動し、検波出力での感度
及びオフセット量が変動するという問題点があった。こ
の発明に於いては簡単な構成で、周囲温度の変化などに
かかわらずジャイロ出力の感度、及びオフセット量の変
動が抑圧された振動ジャイロの検出回路を提供する事を
課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明によれば振動体
を振動させて複数の可動電極と固定電極との静電容量の
変化から角速度を検出する静電容量検出型振動ジャイロ
に於いて、前記角速度に対して前記振動体の振動が変化
する軸対称に配置された複数の前記可動電極と固定電極
の各検出容量に固定素子が接続されて複数の積分器が構
成され、これら積分器に前記振動体の駆動周波数よりも
十分に高い周波数の矩形波キャリア信号が印加され、前
記各積分器の出力が排他的論理和回路へ供給されて、前
記振動体の振動にもとづきデューティサイクルが変化す
る矩形波が出力され、この排他的論理和回路の出力と、
必要に応じて位相調整された、振動体駆動周波数と同一
周波数の検波参照用矩形波とが検波用排他的論理和回路
へ供給されて、コリオリ力にもとづくデューティサイク
ルの変化の成分が検出され、その検波用排他的論理和回
路の出力が積分回路で平滑される。

【００１１】このような簡単な構成で、前記可動電極と
固定電極とが構成する静電容量の振幅の変動の影響を受
けない検出が行なわれ、ジャイロ出力の感度、及びオフ
セット量の温度変動が解消される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１にこの発明の実施例を示し、
図６Ｂと対応する部分に同一符号を付けて重複説明を省
略する。台座１、振動体２、可動電極３ａ，３ｂ、固定
電極４よりなるセンサ部は図６Ａと同一である。検出回
路部では振動体を駆動させた状態で、積分器６ａ，６ｂ
に、キャリア信号発生源７から前記振動体２の駆動信号
源１１の駆動信号（図２波形ア）の周波数よりも十分に
高い周波数で位相の異なる、この例では９０度異なる二
つの矩形波（図２波形イａ，イｂ）がそれぞれ印加さ
れ、駆動振動による電極間容量の変位（図２波形アａ）
から積分器６ａ，６ｂの時定数がそれぞれ独立して駆動
周期で正弦波状に変化して、二つの積分出力（図２波形
ウａ，ウｂ）が出力される。

【００１３】この実施例では積分器６ａ，６ｂの出力は
差動出力用排他的論理和回路８に入力され、積分器６
ａ，６ｂの出力がそれぞれ独立して駆動周期で正弦波状
に変化する為、デューティサイクルが駆動周期で正弦波
状に変化する定期パターン化する矩形波（図２波形エ破
線）が排他的論理和回路８の出力として得られる。いま
積分器６ａ，６ｂに入力される矩形波キャリア信号が図
３Ｑａ，Ｑｂに示す波形の場合、振動体２にコリオリ力
が作用していない状態では可動電極３ａ，３ｂと固定電
極４との各静電容量Ｃａ，Ｃｂは共にＣｏであるため、
積分器６ａ，６ｂの各出力は図３ａ，ｂの各実線で示す
ようになり、同一波形で位相が９０度ずれたものとな
る。これらの矩形波換算波形は図３ａ′，ｂ′の各実線
で示すようになり、位相が９０度ずれている。この矩形
波換算波形図３ａ′，ｂ′の排他的論理和が回路８でと
られ、その出力は図３ｃの実線のようになり、この例で
は高レベル区間と低レベル区間が同一、つまりデューテ
ィサイクルが５０％の差動出力が得られる。

【００１４】振動体２にコリオリ力が作用すると、両静
電容量Ｃａ，Ｃｂは一方がΔＣ増加し、他方がΔＣ減少
して、それぞれＣｏ＋ΔＣ，Ｃｏ−ΔＣとなる。その結
果、積分器６ａ，６ｂの各出力は図３ａ，ｂの一点鎖線
で示すようにΔＣ増加した方は実線より立上りが速くな
り、ΔＣ減少した方は実線より立上りが遅くなる。この
結果、矩形換算波形は図３ａ′，ｂ′に一点鎖線で示す
ようにΔＣ増加した方は実線より位相が進み、ΔＣ減少
した方は実線より位相が遅れる。この結果、排他的論理
和回路８の出力は、図３ｃに一点鎖線で示すようにパル
ス幅が大となり、デューティサイクルが５０％以上にな
る。

【００１５】入力角速度の方向が逆向きになれば、ΔＣ
増加する容量と、減少する容量とが逆になり、排他的論
理和回路８の出力のパルス幅は減少し、デューティサイ
クルが５０％以下になる。先に述べたような矩形波駆動
信号（図４Ａ）に対し、可動電極３ａ，３ｂは図４Ｂに
示すように正弦波状に変位する。従って、振動体２にコ
リオリ力が作用していない状態では積分器６ａ，６ｂの
出力の矩形波換算波形は図４Ｃ，Ｄに示すように、前記
正弦波状変位に応じて矩形波のパルス幅が正弦波状に変
化する。これらの排他的論理和がとられた回路８の出力
（差動出力）は図４Ｅに示すようになる。２つの検出電
極３ａ，３ｂの動きがほぼ同じとなる為、パルスの疎密
はパルス幅が最大点付近で密、最小点付近で疎となる
が、その変化量は中間値付近で小さい。この中間値はキ
ャリアの位相差で決定される。

【００１６】これらをアナログ的に示せば対応図の左に
示す図となる。つまり、両矩形換算波形のパルス幅の正
弦波状変化は同位相であって、差動出力も同位相とな
り、駆動信号に対し９０度ずれている。一方、振動体２
にコリオリ力が作用すると、その可動電極３ａ，３ｂの
変位は駆動信号によるものと、コリオリ力によるものと
の合成力により行われ、両矩形換算波形は図５Ａ，Ｂに
それぞれ示すようになり、その差動出力（回路８の出
力）は図５Ｃに示すようになる。この差動出力に於いて
は、パルス幅の最大点及び最小点が、２つの検出電極３
ａ，３ｂからの出力でずれる為、パルスの疎密は、角速
度入力ゼロの時の位置からずれる。

【００１７】これらをアナログ的に表示すると、対応図
の左側に示すようになり、コリオリ力が作用していない
状態の一点鎖線に対し、実線で示すように互いに反対方
向に位相がずれ、差動出力は駆動信号と同位相又は逆位
相（図２は逆位相）となる。従って、この排他的論理和
回路８の出力と、駆動信号と同位相の参照波（図５Ｄ）
とを排他的論理和回路９へ供給すれば、その出力は図５
Ｅに示すようになる。これをアナログ的に示すと、コリ
オリ力が作用していれば、図４Ｅの右側の実線のよう
に、参照波（駆動信号）と同相し、その半周期ごとに、
正の半波（又は負の半波）が生じ、コリオリ力が作用し
ていなければ、一点鎖線で示すように参照波の各半周期
で、正負対称な波形となる。従って排他的論理和回路９
の出力を積分回路１０で積分すると、図５Ｆに示すよう
に角速度入力ゼロ（Ω＝０）の時の出力（１点鎖線）よ
り実線のように出力が大となる。検波用排他的論理和回
路９の出力では、参照波が高レベルの領域で入力された
差動出力は反転する。参照波の位相を決定するのは角速
度入力ゼロの差動出力のパルスが最も疎となる時、及び
最も密となる時である。この為角速度が入力されている
時、検波出力は差動出力の疎の領域が密となり、結果的
ジャイロ出力に於いて、角速度入力ゼロの時よりも出力
が大きくなる。

【００１８】これらの動作波形を図２に合わせて示し説
明する。即ち振動体２にコリオリ力が作用したとき、定
常振動による電極間容量の変化とコリオリ力による電極
間容量の変化との合成により、二つの位相の異なる電極
間容量の変化が発生する。これにより差動出力用排他的
論理和回路８は定常振動の時とは異なったパターンの矩
形波（図２波形エ実線）を出力する。この差動出力用排
他的論理和回路８の出力と、駆動信号源１１の駆動信号
を位相調整回路１２により調整された検波参照用矩形波
（図２波形オ）とを、検波用排他的論理和回路９に入力
し、検波出力（図２波形カ実線）を得る。この時の検波
用排他的論理和回路９の出力は、前記検波参照用矩形波
の周期については全波整流として働き、参照用矩形波と
同じ周波数成分のジャイロ出力を検波する事が出来る。

【００１９】これを積分回路１０により平滑化及び増幅
を行い、角速度が未入力状態の出力（図２波形キ破線）
と、角速度が入力された状態の出力（図２波形キ実線）
との差をジャイロ出力として得る。ここで前記検波参照
用矩形波は位相調整回路１２によりジャイロ出力が最大
となる条件の位相を設定している。以上の事から、簡単
な構成で、前記検出電極の静電容量の振幅の変動の影響
を受けない検出を行なう。従って、ジャイロ出力の感
度、及びオフセット量の温度変動を解消する事ができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば可動
（検出用）電極３ａ，３ｂと固定電極４との各静電容量
と抵抗素子とで構成した積分器６ａ，６ｂの出力を排他
的論理和回路８へ供給してデジタル的に処理し、温度変
動などによる積分器６ａ，６ｂは同様の影響を受け、図
３で説明したことから理解されるように、矩形換算波形
ａ′，ｂ′は同一方向に同一量位相がずれるため、差動
出力のパルス幅は影響を受けず、差動出力のパルスの疎
密の分布が変化しない。つまり、温度変動や経年変化の
影響を受け難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の要部を示すブロック図。

【図２】この発明の動作時の各部の波形例を示す図。

【図３】この発明の動作中の差動出力が得られるまでの
過程における各部の波形の拡大例を示す図。

【図４】この角速度入力ゼロ時におけるこの発明の動作
波形例を示す図。

【図５】この角速度入力がある時のこの発明の動作波形
例を示す図。

【図６】Ａはセンサ部の例を示す断面図、Ｂは従来の検
出部を示すブロック図である。

【図７】従来のジャイロの各部の動作波形例を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体を振動させて複数の可動電極と固
   定電極との静電容量の変化から角速度を検出する静電容
   量検出型振動ジャイロに於いて、 前記各静電容量を構成する各可動電極及び固定電極と各
   固定抵抗素子とでそれぞれ構成された複数の積分器と、 前記積分器に印加され、前記振動体の駆動周波数よりも
   十分に高い周波数の矩形波信号を出力する手段と、 前記各積分器出力が入力され、前記振動体の振動により
   デューティサイクルの変化する矩形波を出力する差動出
   力用排他的論理和回路と、 前記差動出力用排他的論理和回路の出力と、前記振動体
   の駆動周波数の参照用矩形波信号とが入力され、コリオ
   リ力にもとづくデューティサイクルが変化する成分を検
   出する検波用排他的論理和回路と、 前記検波用排他的論理和回路の出力を平滑化する積分回
   路と、 以上を有する静電容量型振動ジャイロの検出回路。